付江維等

摘要：通過(guò)回收LNG冷能用于駕駛室空調(diào)，達(dá)到節(jié)約能源提高經(jīng)濟(jì)性的目的。針對(duì)LNG冷量回收過(guò)程中的大溫差換熱關(guān)鍵技術(shù)， 提出了帶有蓄冷功能的多級(jí)冷能回收系統(tǒng)。針對(duì)空調(diào)使用溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣進(jìn)氣溫度的矛盾，提出了采用二級(jí)汽化器的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：液化天然氣（LNG）；冷能；蓄冷裝置；

1.概述

LNG需要?dú)饣癁闅鈶B(tài)天然氣之后才能夠提供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒， LNG的氣化過(guò)程需要吸收很大能量，目前的氣化方式為采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)加熱，通過(guò)冷卻系統(tǒng)散失，造成了能量的巨大浪費(fèi)。若將LNG氣化的冷能回收用于汽車(chē)空調(diào)制冷，既節(jié)約了能源， 又有利于環(huán)保， 具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

2. LNG冷能分析

LNG氣化時(shí)會(huì)放出很大的冷能，其值約為830KJ/kg[2]。若LNG擁有的冷能能以100%的效率轉(zhuǎn)化為電力，那么1t LNG的冷能相當(dāng)于240kW·h[4]。德國(guó)梅賽爾公司制造完成的LNG冷藏車(chē)，經(jīng)過(guò)98年一個(gè)夏天的運(yùn)輸檢驗(yàn)，以穩(wěn)定的運(yùn)行工況、良好的冷藏效果、低污染的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，得到了科隆地方政府認(rèn)可。冷藏車(chē)每小時(shí)消耗（12～15）kg LNG，其制冷能力為218kW[8]。

以某2款車(chē)型消耗LNG冷能與空調(diào)系統(tǒng)需求冷能對(duì)比計(jì)算如表1：

3.LNG 冷量回收空調(diào)系統(tǒng)的建立

3.1一級(jí)汽化器

一級(jí)汽化器的作用是完成LNG冷能的釋放與收集，將LNG冷能傳遞給中間冷媒。由于LNG溫度為-162℃，如將天然氣與空氣直接進(jìn)行潛熱、顯熱的交換， 換熱溫差將會(huì)達(dá)到170℃～ 200℃。如此大的傳熱溫差對(duì)空氣換熱器來(lái)講是難以實(shí)現(xiàn)的。將會(huì)出現(xiàn)空氣中水蒸汽凝結(jié)等現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降甚至出現(xiàn)管路阻塞。影響整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)使用和整車(chē)天然氣系統(tǒng)的正常供氣，導(dǎo)致車(chē)輛不能整車(chē)行駛等故障。

為最大限度地回收LNG冷量， 并滿(mǎn)足汽車(chē)空調(diào)的使用要求，考慮使用中間冷媒進(jìn)行多級(jí)換熱， 盡量減小一次傳熱溫差。根據(jù)車(chē)輛使用情況，乙二醇水溶液作為中間媒介是合適的，其具有比熱容大、無(wú)毒、不可燃、性能穩(wěn)定、容易獲取等優(yōu)點(diǎn)。為減少冷能損耗，在一級(jí)汽化器外層包裹隔熱材料，提高冷能利用率。

采用高溫LNG加熱低溫LNG，介質(zhì)加熱高溫LNG的方式，將一次熱交換變換為二次熱交換，降低每次熱交換溫差，確保介質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)低溫凍結(jié)，提高熱交換效率。考慮到介質(zhì)不能在一級(jí)汽化器的出口被凍結(jié)，必須要保持一定的流速；同時(shí)為盡量避免空氣冷卻器表面結(jié)霜，介質(zhì)的供冷量也不能太大。因此對(duì)于該冷量回收汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，在介質(zhì)溫度滿(mǎn)足換熱要求的前提下，流量保持在100L/h[1]左右較為合適。見(jiàn)圖2。

3.2蓄冷系統(tǒng)

蓄冷裝置的作用是完成與低溫天然氣的熱交換和冷能的儲(chǔ)存與傳遞。發(fā)動(dòng)機(jī)工況不停地變化，所消耗的天然氣產(chǎn)生的冷能差別很大，根據(jù)表1計(jì)算可達(dá)3倍左右，系統(tǒng)中需要增加緩沖裝置，平衡發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化導(dǎo)致的冷能的變化，因此在系統(tǒng)中增加蓄冷裝置。一些商用的低溫相變儲(chǔ)熱材料的物性數(shù)據(jù)如表2所示：

以STL-6為例，其相變溫度為-6℃，相變潛熱為284 kJ/kg，體積儲(chǔ)熱密度為304KJ/L。

3.3空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)的作用是將低溫介質(zhì)所攜帶的從低溫天然氣中回收的冷能通過(guò)和空氣熱交換釋放到駕駛室內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)制冷的功能。介質(zhì)通過(guò)水泵泵入空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器與通過(guò)軸流式風(fēng)扇強(qiáng)制循環(huán)空氣進(jìn)行熱交換，將冷能釋放到空氣中對(duì)駕駛室內(nèi)進(jìn)行制冷。經(jīng)過(guò)熱交換的介質(zhì)再回到蓄冷系統(tǒng)中進(jìn)行下一次循環(huán)。

3.4二級(jí)汽化器

二級(jí)汽化器的作用是對(duì)經(jīng)過(guò)一級(jí)汽化器的天然氣進(jìn)一步加熱，使其滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

由于一級(jí)汽化器需要滿(mǎn)足空調(diào)系統(tǒng)溫度需要，使得氣化后的天然氣溫度不能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求（玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)要求天然氣進(jìn)氣溫度30℃～50℃[7]），需要進(jìn)行二次加熱。二級(jí)汽化器可以采用普通水浴蛇管式汽化器結(jié)構(gòu)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況與空調(diào)使用情況的不確定性，使得一級(jí)汽化器出口天然氣溫度不能保持穩(wěn)定。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)天然氣進(jìn)氣溫度要求，節(jié)溫器開(kāi)始關(guān)閉的溫度設(shè)計(jì)為30℃左右，完全關(guān)閉溫度50℃左右。

4.結(jié)束語(yǔ)

LNG車(chē)輛相比于柴油車(chē)具有明顯的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，其利用開(kāi)發(fā)前景十分廣闊。上述對(duì)LNG冷能回收利用于整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)主要流程及各主要零部件進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步確定各換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、空調(diào)控制參數(shù)，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]王強(qiáng)等.LNG汽車(chē)?yán)淠芑厥湛照{(diào)系統(tǒng)[J].天然氣工業(yè)，2005，25（10）：124～126.

[2]李靜等.LNG冷能利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].天然氣工業(yè)，2005，25（5）：103～105.

[3]華賁等.中國(guó)LNG冷能利用的進(jìn)展和展望[J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）：107～111.

作者簡(jiǎn)介：

付江維（1984.11-），男，江西樟樹(shù)人，集瑞聯(lián)合重工有限公司，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)燃料供給系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。

邢玉剛（1980.2-），男，河南新鄉(xiāng)人，集瑞聯(lián)合重工有限公司，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)排氣系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和燃料供給系統(tǒng)。

聶永生（1985.10-），男，安徽壽縣人，集瑞聯(lián)合重工有限公司，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)燃料供給系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)。